ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАОСНОВНЫХ ПОРОД ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА H2 И СЕКВЕСТРАЦИИ CO2 : ПУТЬ К ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ И СНИЖЕНИЮ ВЫБРОСОВ В КАЗАХСТАНЕ

Переход к углеродно-нейтральной экономике требует не только долговременного геологического хранения антропогенного углекислого газа (CO₂ ), но и поиска новых низкоуглеродных источников энергии, к числу которых относится природный водород (H₂ ). Среди потенциальных геологических сред особое место занимают ультраосновные породы, поскольку они способны одновременно обеспечивать минерализацию CO₂ и образование природного H₂ . Однако взаимосвязь этих процессов, а также возможность их проявления в основных породах до настоящего времени изучены недостаточно. В данной работе исследованы основные и ультраосновные породы Чарской офиолитовой зоны Восточного Казахстана и Кемпирсайского ультраосновного массива Западного Казахстана, чтобы оценить их потенциал к минерализации CO₂ и генерации природного H₂ . Наиболее интенсивное связывание CO₂ наблюдалось в серпентинсодержащих ультраосновных породах. Растворение лизардита сопровождалось высвобождением Mg²⁺, что создавало условия для образования вторичного магнезита и фиксации CO₂ в устойчивой минеральной форме. В образцах, обогащённых магнезиохромитом, карбонатизация протекала значительно слабее. Распределение природного H2 оказалось иным. Максимальные концентрации зарегистрированы в ультраосновных (0,872 мол.%) и основных (0,721 мол.%) породах Чарской офиолитовой зоны, тогда как в образцах Кемпирсайского массива выявлены лишь следовые количества H₂ . Сопоставление экспериментальных данных показало, что минерализация CO₂ и образование природного H₂ контролируются разными минералогическими факторами. Для долговременного связывания CO₂ наиболее благоприятны серпентинсодержащие ультраосновные породы, тогда как генерация природного H₂ определяется прежде всего реакционной способностью Fe-содержащих минералов. Это объясняет высокие концентрации H₂ в отдельных образцах Чарской офиолитовой зоны при сравнительно низких значениях в породах Кемпирсайского массива. Офиолитовые комплексы Казахстана могут рассматриваться как перспективные геологические объекты как для долговременного минералогического хранения CO₂ , так и для дальнейших поисков природного водорода.

1. Matter, J.M., and Kelemen, P.B. Permanent storage of carbon dioxide in geological reservoirs by mineral carbonation. Nature Geoscience, 2 (12), 837–841 (2009). https://doi.org/10.1038/ngeo683

2. Oelkers, E.H., Gislason, S.R., and Matter, J. Mineral carbonation of CO2. Elements, 4 (5), 333–337 (2008). https://doi.org/10.2113/gselements.4.5.333

3. Osselin, F., Pichavant, M., Champallier, R., Ulrich, M., and Raimbourg, H. Reactive transport experiments of coupled carbonation and serpentinization in a natural serpentinite: Implication for hydrogen production and carbon geological storage. Geochimica et Cosmochimica Acta, 318, 165–189 (2022). https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.11.039

4. Godard, M., Gouze, P., Pascale, B., Martinez, I., Escario, S., Decrausaz, T., Leprovost, R., Roubinet, D., and Pézard, P. In Situ CO2 Mineralization in Mantle-Derived Ultramafic Basements: Insights from Laboratory Experiments and Field Studies (Oman Ophiolite). SSRN Electronic Journal (2022). https://doi.org/10.2139/ssrn.4285227

5. Kularatne, K., Sissmann, O., Kohler, E., Chardin, M., Noirez, S., and Martinez, I. Simultaneous ex-situ CO2 mineral sequestration and hydrogen production from olivine-bearing mine tailings. Applied Geochemistry, 95, 195–205 (2018). https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2018.05.020

6. Gislason, S.R., Wolff-Boenisch, D., Stefansson, A., Oelkers, E.H., Gunnlaugsson, E., Sigurdardottir, H., Sigfusson, B., Broecker, W.S., Matter, J.M., and Stute, M. Mineral sequestration of carbon dioxide in basalt: A pre-injection overview of the CarbFix project. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4 (3), 537–545 (2010). https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2009.11.013

7. Gíslason, S.R., Sigurdardóttir, H., Aradóttir, E.S., and Oelkers, E.H. A brief history of CarbFix: Challenges and victories of the project’s pilot phase. Energy Procedia, 146, 103–114 (2018). https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.07.014

8. McCollom, T.M., and Bach, W. Thermodynamic constraints on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73 (3), 856–875 (2009). https://doi.org/10.1016/j.gca.2008.10.032

9. Gadikota, G. Multiphase carbon mineralization for the reactive separation of CO2 and directed synthesis of H2. Nature Reviews Chemistry, 4 (2), 78–89 (2020). https://doi.org/10.1038/s41570-019-0158-3

10. Klein, F., Bach, W., and McCollom, T.M. Compositional controls on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks. Lithos, 178, 55–69 (2013). https://doi.org/10.1016/j.lithos.2013.03.008

11. Ely, T., Leong, J., Canovas, P., and Shock, E. Huge variation in H2 generation during seawater alteration of ultramafic rocks. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 24 (3), e2022GC010658 (2023). https://doi.org/10.1029/2022GC010658

12. Wang, J., Watanabe, N., Okamoto, A., Nakamura, K., and Komai, T. Enhanced hydrogen production with carbon storage by olivine alteration in CO2-rich hydrothermal environments. Journal of CO2 Utilization, 30, 205–213 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.02.008

13. Miller, H.M., Mayhew, L.E., Ellison, E.T., Kelemen, P., Kubo, M., and Templeton, A.S. Low temperature hydrogen production during experimental hydration of partially serpentinized dunite. Geochimica et Cosmochimica Acta, 209, 161–183 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gca.2017.04.022

14. McCollom, T.M., Klein, F., and Ramba, M. Hydrogen generation from serpentinization of iron-rich olivine on Mars, icy moons, and other planetary bodies. Icarus, 372, 114754 (2022). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114754

15. Ueda, H., Sawaki, Y., and Maruyama, S. Reactions between olivine and CO2-rich seawater at 300°C: Implications for H2 generation and CO2 sequestration on the early Earth. Geoscience Frontiers, 8 (2), 387– 396 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gsf.2016.10.002

16. Smith, N., Shepherd, T., Styles, M., and Williams, G. Hydrogen exploration: A review of global hydrogen accumulations and implications for prospective areas in NW Europe. Geological Society, London, Petroleum Geology Conference Series, 6 (1), 349–358 (2005). https://doi.org/10.1144/0060349

17. Neal, C., and Stanger, G. Hydrogen generation from mantle source rocks in Oman. Earth and Planetary Science Letters, 66, 315–320 (1983). https://doi.org/10.1016/0012-821X(83)90144-9

18. Osselin, F. Experimental study of the co-valorization of carbon dioxide storage through hydrogen production in ultramafic formations. American Geophysical Union Fall Meeting Abstracts, GC31E-1297 (2022). https://doi.org/10.1002/essoar.10501775.1

19. Khandoozi, S., Hazlett, R., and Fustic, M. A critical review of CO2 mineral trapping in sedimentary reservoirs—from theory to application: Pertinent parameters, acceleration methods and evaluation workflow. Earth-Science Reviews, 244, 104515 (2023). https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2023.104515

20. Klein, F., and McCollom, T.M. From serpentinization to carbonation: New insights from a CO2 injection experiment. Earth and Planetary Science Letters, 379, 137–145 (2013). https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.08.017

21. Neubeck, A., Nguyen, D.T., and Etiope, G. Low-temperature dunite hydration: Evaluating CH4 and H2 production from H2O and CO2. Geofluids, 16 (3), 408–420 (2016). https://doi.org/10.1111/gfl.12159

22. Melcher, F., Grum, W., Simon, G., Thalhammer, T.V., and Stumpfl, E.F. Petrogenesis of the ophiolitic giant chromite deposits of Kempirsai, Kazakhstan: A study of solid and fluid inclusions in chromite. Journal of Petrology, 38 (10), 1419–1458 (1997). https://doi.org/10.1093/petroj/38.10.1419

23. Zgonnik, V. The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review. EarthScience Reviews, 203, 103140 (2020). https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103140

24. Selyatitskii, A.Y., Reverdatto, V.V., Kuz’Min, D.V., and Sobolev, N.V. Minor elements in unusual olivines from high-pressure peridotites of the Kokchetav Massif (Northern Kazakhstan). Doklady Earth Sciences, 445 (2), 1015–1019 (2012). https://doi.org/10.1134/S1028334X12080235

25. Kuibida, M.L., Safonova, I.Y., Yermolov, P.V., Vladimirov, A.G., Kruk, N.N., and Yamamoto, S. Tonalites and plagiogranites of the Char suture-shear zone in East Kazakhstan: Implications for the KazakhstanSiberia collision. Geoscience Frontiers, 7 (1), 141–150 (2016). https://doi.org/10.1016/j.gsf.2015.09.002.